Gospodarka Obiegu Zamkniętego w praktyce na przykładzie odzysku fosforu w Zakładzie „Południe” MPWiK Warszawa

Działania inwestycyjne Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji w m.st. Warszawie S.A. od lat są planowane i prowadzone z myślą o środowisku – stąd tak duży nacisk spółki na realizację przedsięwzięć związanych ze zrównoważonym rozwojem i gospodarką obiegu zamkniętego. MPWiK modernizuje właśnie linię technologiczną oczyszczalni ścieków Zakładu „Południe” tak, by z osadów ściekowych odzyskiwać wartościowe substancje nawozowe – fosfor i azot. Jest to jedno z pierwszych tego typu przedsięwzięć w kraju, realizowanych przez spółkę wod.-kan.

W obrębie Zakładu „Południe” działa jedna z czterech oczyszczalni ścieków należących do MPWiK Warszawa. Obiekt oczyszcza ścieki z południowej części lewobrzeżnej Warszawy. Te surowe pochodzą z kanalizacji rozdzielczej, a ze względu na znikomą liczbę zakładów przemysłowych na terenie zlewni mają charakter ścieków bytowych. Projektowa wielkość oczyszczalni wynosi 580 000 RLM (równoważnej liczby mieszkańców).

Oczyszczalnia została wybudowana w 2006 roku. W latach 2015-2016 wymieniono urządzenia odwadniające z pras taśmowych na wirówki dekantacyjne oraz zainstalowano dwie jednostki kogeneracji.

W 2020 roku rozpoczęła się natomiast kluczowa dla Zakładu „Południe” inwestycja, obejmująca trzy innowacyjne technologie:

• instalację hydrolizy termicznej,
• instalację usuwania azotu w ciągu bocznym – deamonifikacji,
• instalację odzysku fosforu z odcieków z odwadniania osadów.

Dlaczego fosfor?

Przy utrzymaniu obecnego wydobycia światowe rezerwy fosforytów wystarczą na ponad 300 lat[1]. Biorąc jednak pod uwagę stały przyrost ludności na świecie i dążenie do zwiększenia produkcji rolnej, należy liczyć się ze zdecydowanie wcześniejszym wyczerpaniem dostępnych złóż fosforytów. W pierwszej kolejności wykorzystane zostaną zasoby łatwo dostępne, których wydobycie jest obecnie najtańsze. Następnie eksploatowane będą te rezerwy, których koszt wydobycia surowca będzie znacznie wyższy lub wydobycie to będzie wymagało najnowszych, być może jeszcze niestosowanych, rozwiązań technologicznych[2].

Wszystkie strategiczne światowe rezerwy fosforytów zlokalizowane są poza obszarem Unii Europejskiej. Warunki wydobycia, dostępność oraz ceny fosforytów na giełdach zależą w dużym stopniu od sytuacji politycznej w danym regionie. Oznacza to, że kraje Unii Europejskiej są uzależnione od importu fosforytów z Afryki Zachodniej oraz Azji. Na terenie UE jedynie Finlandia dysponuje złożami, które w obecnych warunkach są eksploatowane. Jednak udział tego kraju w światowym eksporcie fosforytów wynosi poniżej 1%[4], co oznacza, że w skali globalnej nie odgrywa znaczącej roli. Głównymi źródłami fosforytów wykorzystywanymi w produkcji nawozów w Europie są: Maroko, Rosja, Finlandia i Algieria. Z tego względu od 2014 roku fosforyty są wpisane na listę surowców mineralnych krytycznych dla Europy. Należy także do surowców o wysokim ryzyku związanym z dostawami, a jednocześnie o dużym znaczeniu gospodarczym.      

Uwzględniając niestabilne ceny fosforytów oraz gwałtownie zmieniające się koszty produkcji nawozów, oczyszczalnia ścieków staje się doskonałym miejscem do poszukiwania alternatywnych źródeł fosforu.

Fosfor w oczyszczalni ścieków

Zawarty w ściekach surowych fosfor można skutecznie usuwać na drodze biologicznej poprzez wykorzystanie zdolności wybranych grup bakterii (PAO) do zwiększonej akumulacji fosforu w komórkach. Proces ten wymaga zapewnienia bakteriom PAO naprzemiennych warunków beztlenowo-tlenowych. W warunkach tlenowych bakterie pobierają ze środowiska fosforany, magazynując w ten sposób energię w postaci łańcuchów polifosforanów. Zaś w warunkach beztlenowych rozkładają łańcuchy polifosforanów, a pozyskaną energię wykorzystują do przyswajania substratów, którymi są łatwo rozkładalne związki organiczne. Odbierane w osadzie nadmiernym bakterie PAO pozwalają na odebranie z części ściekowej fosforu. Opisany tu skrótowo proces biologicznej defosfatacji jest kluczowy dla odzysku fosforu w części osadowej oczyszczalni ścieków, ponieważ umożliwia on „transfer” fosforu ze ścieków surowych do osadu.

W oczyszczalniach ścieków prowadzących procesy beztlenowej przeróbki osadów fosfor zostanie ponownie uwolniony w anoksycznych warunkach komór fermentacji. Należy zaznaczyć, że zwiększone stężenie fosforanów w cieczy nadosadowej powoduje szereg problemów. Przede wszystkim fosforany wraz odciekami z odwadniania osadów przefermentowanych powracają do części biologicznej, powodując obciążenie wtórne i kumulację fosforu w oczyszczalni. Dodatkowo przy obecności wysokich stężeń azotu amonowego w cieczy nadosadowej, w sprzyjających warunkach, dochodzi do niekontrolowanego wytrącania struwitu. Do czynników wspomagających krystalizację struwitu należy zaliczyć: obecność jonów magnezu, napowietrzenie i odgazowanie osadu przefermentowanego powodujące podniesienie pH oraz obniżenie temperatury. Efektem jest wytrącanie się struwitu w komorach fermentacji, obrastanie wewnętrznych powierzchni i zawężanie przekroju rurociągów odprowadzania osadu z komór fermentacji oraz odkładanie się osadu w urządzeniach węzła osadowego, w tym w pompach i urządzeniach do odwadniania.            

Najczęściej stosowanym sposobem zapobiegania kumulacji fosforanów w oczyszczalni i wytrącania struwitu jest usuwanie fosforu na drodze chemicznej przez stosowanie soli żelaza i glinu. To rozwiązanie skuteczne, ale generujące znaczące koszty.

Odzysk fosforu

Wytrącanie struwitu jest procesem występującym w różnym stopniu w każdej oczyszczalni prowadzącej beztlenową stabilizację osadu. Substratami w tym procesie są jony ortofosforanowe i jony amonowe pochodzące z procesu oczyszczania ścieków i przeróbki osadów, a także jony magnezu w stosunku molowym 1 (Mg²⁺) : 1 (NH⁴⁺) : 1 (PO₄^3–). Produkt procesu stanowi struwit, czyli uwodniony fosforan amonowo-magnezowy o wzorze chemicznym MgNH₄PO₄ · 6H₂O.

W celu prowadzenia kontrolowanego procesu wytrącania struwitu należy stworzyć w reaktorze optymalne warunki dla krystalizacji. Mają one również istotny wpływ na kształt, strukturę oraz czystość struwitu, czyli ogólnie na jakość powstającego produktu. Kluczowa dla kontroli procesu krystalizacji jest korekta pH realizowana poprzez dozowanie do reaktora wodorotlenku sodu. Proces ten prowadzony jest przy poziomie pH > 8,0. Dalsze podnoszenie pH powoduje zwiększenie prędkości krystalizacji, jednak generuje to większe zużycie reagentów i nie ma uzasadnienia ekonomicznego.

Kolejnym czynnikiem limitującym powstawanie struwitu jest ilość magnezu w odciekach. W normalnych warunkach stężenie magnezu jest stosunkowo niskie i wynika z naturalnej obecności magnezu w wodach na danym obszarze. W celu zwiększenia sprawności procesu odzysku fosforu magnez musi być uzupełniany poprzez dozowanie do reaktora roztworu chlorku magnezu.

Konfiguracja instalacji

W Zakładzie „Południe” proces fermentacji prowadzony będzie dwustopniowo. Pomiędzy pierwszym a drugim stopniem fermentacji zostanie wprowadzona instalacja hydrolizy termicznej. Taki układ technologiczny części osadowej wymusił specyficzną konfigurację instalacji odzysku fosforu. Do instalacji kierowane będą odcieki z dwóch instalacji odwadniania. Pierwszą instalacją będzie instalacja wstępnego odwadniania przed hydrolizą termiczną, zlokalizowana po komorach fermentacji I°. Drugą będzie instalacja odwadniania końcowego, zlokalizowana po komorze fermentacji II°. Odcieki będą wspólnie wprowadzone do reaktora krystalizacji struwitu. Ze względu na warunki panujące w komorach fermentacji może dochodzić tam do niekontrolowanego wytrącania struwitu. Aby uniknąć wydostawania się go z oczyszczalni wraz z osadem przefermentowanym zastosowane zostaną cyklony, które go odseparują. Po wypłukaniu zostanie on również skierowany do reaktora krystalizacji struwitu. Schemat instalacji pokazano na rysunku nr 2.

Wieloskładnikowy nawóz

Produktem powstającym w opisanej wyżej instalacji będzie struwit o bardzo dobrych właściwościach nawozowych. Należy zwrócić uwagę, że w instalacji wraz z fosforem odzyskiwany jest azot. Dzięki temu struwit spełnia wymagania wieloskładniowego nawozu mineralnego o przybliżonym składzie N: 5%, P:28% (jako P₂O₅), Mg:10%. W formie granulek fosforan amonowo-magnezowy ma niską rozpuszczalność, dzięki czemu składniki biogenne uwalniane są stopniowo i w dłuższym czasie. Jest to korzystne dla wzrostu roślin i bardziej przyjazne środowisku, ponieważ zabezpiecza przed wypłukiwaniem biogenów do wód powierzchniowych. W dalszej perspektywie, po uzyskaniu decyzji Ministra właściwego do spraw rolnictwa, będzie możliwe wprowadzenie struwitu do obrotu jako nawozu mineralnego.       

Efekty i oczekiwania

Uruchomienie instalacji do odzysku fosforu oddziałuje na pracę całej oczyszczalni. W części biologicznej istotne jest utrzymanie skutecznego procesu biologicznej defosfatacji przy jednoczesnym zmniejszeniu obciążenia wtórnego bioreaktorów fosforanami. Dodatkowym pozytywnym efektem jest wyeliminowanie defosfatacji na drodze chemicznej, czyli strącanie fosforu za pomocą soli żelaza i glinu. W części osadowej instalacja odzysku struwitu jest wdrażana wraz z dwoma innymi zaawansowanymi technologiami: procesem deamonifikacji i procesem hydrolizy termicznej. Każdy z tych procesów wpływa na pozostałe, zmieniając parametry technologiczne pracy części osadowej i biologicznej oczyszczalni.  

Choć założenia do trwającej modernizacji były opracowywane w latach 2017-2018, to rosnąca świadomość odpowiedzialności za środowisko oraz obecna sytuacja na rynku energii i nawozów potwierdzają, że w MPWiK przyjęto właściwy kierunek realizacji założeń Gospodarki Obiegu Zamkniętego. 

Zbigniew Zakrzewski, starszy specjalista ds. Technologicznych w Zakładzie „Południe”

MPWiK w m. st. Warszawie S.A.

Artykuł pierwotnie ukazał się w kwartalniku nr 4/22 ,,Kierunek WOD-KAN”. Wydawcą magazynu jest firma BMP – właściciel portalu kierunekWODKAN.pl

---

[1] USGS: https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022-phosphate.pdf

[2] Wzorek Z., Odzysk związków fosforu z termicznie przetworzonych odpadów i ich zastosowanie jako substytutu naturalnych surowców fosforowych, Monografia, Politechnika Krakowska, Kraków 2008.

[3] “European Commission, Study on the EU’s list of Critical Raw Materials – Final Report (2020)„  Link: http://www.europa.eu

[4] Smol, M.; Preisner, M.; Bianchini, A.; Rossi, J.; Hermann, L.; Schaaf, T.; Kruopienė, J.; Pamakštys, K.; Klavins, M.; Ozola-Davidane, R.; Kalnina, D.; Strade, E.; Voronova, V.; Pachel, K.; Yang, X.; Steenari, B.-M.; Svanström, M. Strategies for Sustainable and Circular Management of Phosphorus in the Baltic Sea Region: The Holistic Approach of the InPhos Project. Sustainability 2020, 12, 2567. https://doi.org/10.3390/su12062567

[5] “European Commission, Study on the EU’s list of Critical Raw Materials – Final Report (2020)„  Link: http://www.europa.eu